第二章 文獻回顧

　　本此專題研究之相關文獻包含：工業4.0導入產業的步驟解析、BIM於營建工程與施工應用之研究、BIM應用於營建工程施工性分析之研究、建設公司在設計階段導入BIM的效益實證、國內BIM紀錄模型(record model)發展之研究......等等，參考之相關文獻將於本此專題研究之各相關內容中說明及驗証。

　　文獻回顧中有關鋼結構設計時之相關規範，更是鋼結構設計時之重要依據，而工程規範可分為『設計規範』及『施工規範』兩種。不論是設計規範或施工規範，都是由該領域之專家學者共同研商及進行相關試驗後訂定，若再經正府機關以法律或行政命令方式公告實施者，則更具公信力及強制力。

　　制定工程規範之目的在於讓工程師們在設計時，有參考及遵循之憑據，更可降低工程設計及施工之風險。然身為未來設計行列的我們而言，必須深知一個事實，即為規範不可能涵蓋所有設計之細節與組合形式，甚至規範只規定『最低標準』。

　　一流之工程師不能僅以符合規範要求而自滿，反要不斷提升專業素養、累積工程實務經驗、精進各種工程知識及技術，以增進與確保工程設計之品質。

　　臺灣鋼結構設計規範：基本上是以美國之規範為藍本予以制訂，部份細節再依臺灣本地之實際狀況加以修正，使能符合本土性之需求。近年來，國內有參考其他先進國家之作法，有關鋼結構設計施工規範之草案，委由民間之中華民國鋼結構協會編制。故而目前臺灣鋼結構設計規範依尋著兩種設計方法，即為容許應力法(Allowable Stress Design-ASD)及極限應力法(Load and Resistance Factor Design-LRFD)。

　　本專題僅以鋼結構容許應力法(Allowable Stress Design-ASD)為專題之規範依據內容，更盼我組同學們，後續研究朝ASD螺栓扭剪接合、ASD螺栓拉剪接合、ASD螺栓彎剪接合等四大螺栓接頭模式及鋼結構極限設計法：(Load and Resistance Factor Design-LRFD)繼續邁進努力。

2-1 鋼結構ASD設計方法簡介

　　容許應力法：(Allowable Stress Design-ASD)又稱工作應力法(Work Stress Method)，這是過去100年來鋼結構設計之主要理論依據，其最主要之論點為假設在服務載重(Service loads)作用之下，鋼材之應力，仍然保持在彈性限度之內，因此結構物所需要之安全係數，則直接反應在材料之容許應力上。例如：

 

　 (2-1)

 

式中：Fb為鋼材之彎曲容許應力

Fy為鋼材之降伏強度

F.S.為規範規定之安全係數

 

Fb≦Fy (2-2)

 

式中：Fb為鋼材所承受之彎曲應力

此式說明容許應力法之基本設計理念：

　載重作用應力<容許應力

 

由於鋼結構所受之載重作用與結構強值都有不可預估之不確定性。

前者(載重作用)包括：

　(1).風向與地震來襲方向、作用力大小難以精確掌握。

　(2).設計用途與實際用途不同。

　(3).臺灣及中國普遍發生車輛超載之問題。

　　力學分析方法之結果，僅為假設結果。

後者(結構強度)包括：

　(1).材料生產製造時，產生之誤差。

　(2).構件組裝時之誤差。

　(3).殘餘應力不易做算及構件加工後之應力集中現象。

　(4).偷工減料與專業施工技術不足，造成工程品質之降低。

 

為了消除載重和強度之不確定性，最簡單之方法即是使用安全因子(safety factor)來折減理論強度值，其表示式如下：

 

 (2-3)

 

　　理論強度值視構件之受力及材料特性而定，可以是材料之極限應力或降伏應力，在規範中稱之為標稱強度(nominal strength) Rn，其與設計方法無關，但與所使用之材料與受力型式有關。而安全因子則是一個比1大之數值，不確定性愈大，安全因子之值就愈大，理論強度值就被折減愈多；安全因子通常與材料確壞特性、構件在結構系統中之重要程度、構件破壞後修復之難易度和可能花費有關，一般介於1.5~3.0之間，ASD規範對不同構件受力狀態和破壞模式安全因子規定如表1-1。ASD中之容許強度值通常都小於降伏強度，也就是構件材料行為仍在彈性範圍內，因此，ASD亦可說是一種彈性設計法。

 

容許強度值與載重作用值須滿足下列原則：

　(1).

　　　　 (2-4)

　(2).

　　　　 (2-5)

 

臺灣ASD規範考慮各種受力狀態下之組合如下所示：

　(1).D

　(2).D+L

　(3).D+0.75(L ± 1.25W)

　(4).D+0.75(L ± 0.87E)

　(5).0.7D ± 1.25W

　(6).0.7D ± 0.87E

　　其中D為靜載重、L為活載重、W為風載重、E為地震力載重，由建築技術規則或其他規範決定，一般情形下風力與地震力無需同時考慮。

 

2-2 鋼結構高強度螺栓強度規定

　　鋼結構之破壞，除了鋼構件之挫屈及局部破壞外，大多是出現於不良之接合狀況(包括設計及施工)。而鋼結構之相關構件之接合方式，需隨工程需要而改變，而且現場施工之環境及品質控管，通常不如工廠內部作業嚴謹。因此，構件接合之設計及施工，為鋼結構工程之重點項目之一，接合方式之品質不但影響結構安全，亦影響工程原有之成本造價。

 

一.高強度螺栓簡介：

　1.國內常用之高強度螺栓有哪些？

　　高強度螺栓之接合。現今臺灣常用之高強度螺栓主要有二種：

　　(1).美系之ASTM A325、ASTM A490。

　　(2).日系之JIS F10T。

　　日系中之F8T強度較低，台灣較少使用；F11T則因強度過高，恐有延遲斷裂(delayed fracture)之現象，故亦未廣為使用。

 

　2.高強度螺栓之力學性質：

　　(1).就螺栓之材料而言：

　　高強度螺栓所使用之材料，通常為高強度鋼為主。A325為經過淬火及回火處理過之中碳鋼製成，而A490則為經過淬火及回火處理過之合金鋼所製成；故而高強度螺栓之材料強度均遠大於一般結構用鋼。A490與F10T之降伏應力約為A36及SM400二者鋼材之3.5倍之多，而極限應力約為2.5~3倍。現臺灣常用之高強度螺栓之力學性質如下表所示：

 

　　(2).就螺栓於承受拉力作用時而言：

　　

　　高強度螺栓於承受拉力作用時，需考慮螺牙位置之應力集中現象所產生之影響。故而高強度螺栓通常因強度極高，拉力試片無法測出明顯之應力，故其降伏應力常用0.2%之偏距法求得。因此將可定義出：基準作用力(proof load) = 降伏應力 ⨯ 有效拉力面積。

 

　　其中有效拉力面積(Ab)eff 需考慮螺紋所造成之面積減少，並以如下所示之公式進行計算：

　　　　　 (2-6)

 

　　db為螺栓之標稱直徑，n為螺栓每公分之螺紋數。對於A325型高強度螺栓，其基準作用力為極限強度之70%，而A490型高強度螺全之基準作用力為極限強度之80%，而高強度螺栓之基準作用力即為最小預拉力之基準值。

 

2-3 鋼結構高強度螺栓接合分類

鋼結構於工程上常見之螺栓接合方式可由下述之三部份做為區分：

一.以構件傳力有無偏心區分：

　1.簡單接合(simple connections)

　　於接合處之作用力皆通過螺栓群形心，並無偏心造成彎矩與扭矩之接合。

 　2.偏心偏合(eccentric connections)

　　於接合處之作用力不通過螺栓群形心，作用力因偏心造成彎矩與扭矩之接合。

 

二.以接合是否允許滑動區分：

　1.承壓型接合(braring-type)

　　承壓型接合允許接合滑動，使螺栓與鋼板間產生承壓接觸應力。如圖：

　　　

　　　　　　圖 2-3-2-1

　　承壓型接合傳力機制示意圖

 

　2.摩阻型接合(slip-critical)

　　摩阻接合『不』允許接合滑動，螺栓與鋼板間不會有承壓型接觸應力。如圖：

　　　

　　　　　圖 2-3-2-2

　　承壓型接合傳力機制示意圖

三.以受力模式區分：

　以受力模式區分時，需依鋼構件之接合方式進行確認，並可由接合方式細分如下7種接合型式：

 

1.搭接(單剪接合)：

　　此為鋼構件接合型式中，最簡單之接合方式(如圖2-3-3-1所示)，螺栓主要承受剪力作用，屬於單剪行為。此種接合方式易產生彎曲破壞，僅用於次要接頭或拉力構件之簡易接合。

　　

　　　圖 2-3-3-1 搭接(單剪接合)

 

2.對接(雙剪接合)：

　　指主要之受力鋼板，搭配上下各一塊連接板，並以螺栓鎖固。螺栓亦承受剪力作用，然因屬於雙剪行為，作用剪力亦減半。較不易產生彎曲破壞(如圖2-3-3-2所示)。

　　　

　　　圖 2-3-3-2 對接(雙剪接合)

 3.多重剪力接合：

　　係指二塊以上之主要受力鋼板各自搭配上下各一塊連接板，以鎖固之接合方式(如圖2-3-3-2所示)。螺栓主要承受剪力作用，視為剪行為。

　　　

　　　圖 2-3-3-3 多重剪力接合

  

2-4 VB 程式特性

　　Visual Basic(VB)係由微軟公司(Micosoft)源於1964年，美國 Dartmouth 學院 John Kemeny 與 Thomas Kurtz 設計之『初學者通用符號指令碼』(Beginners All purpose Symbolic Instruction Code)簡稱『BASIC程式語言』。

 

　　隨電腦硬體及軟體版本演進，由原有之DOS時代(DOS-BASIC、BASICA、Quick BASIC……)，躍升為現在Windows時代(Visual BASIC 1.0版、2.0版……至今為Visual BASIC 2017版)。其中最大之改變即為由文字系統之操作畫面，更改為圖形使用者介面（Graphical User Interface，簡稱GUI），甚至微軟公司更因為GUI之操作方式，而提出了『所見即所得』(What You See Is What You Get) 簡稱『WYSIWYG』之概念。

　　而因為GUI之操作方式，影響了許多相關電子產品之操作方式。其中影響最深之產品，學生認為是我們隨身使用之手機。想當初，手機界生產霸主NOKIA，正因為與GUI之操作方式，失之交臂而使得其原有之手機界生產霸主陰陽易位。

Visual BASIC 2017[9-10]版本，有三種版本。

1.Community(社群版)：

　此一版本為免費版，可供學生們學習使用。故本組專題製作，即採用此一版本完成製作。

2.Professional(專業版)

3.Enterprise(企業版)

 

　　Visual BASIC正因其視覺化(Visual)之操作界面，及物件導向等觀念。對於初學者而言是一較為淺顯亦懂之語言。後隨時代進步，網路時代來臨。2003~2008年間，微軟推出了XML Web Services最佳之工具與平台Microsoft Visual Studio.NET(簡稱 VS.NET)。至今更因提供了『整合式開發環境』(Integrated Development Environment；IDE)。使得程式設計開發者，在此一整合開發環境之下，即可設計出於Windows、Android 及iOS等多平台執行之應用程式，甚至現今Web應用程式及雲端服務，亦可包含在內。

 

2-5 VB程式概念

　　程式設計開發人員，使用Visual BASIC製作相關之應用程式時。會依如下所示之流程圖，將相關資訊收集完成，以利相關之應用程式設計及執行。

圖2-5-1　程式開發流程示意圖

圖2-5-2　3位數加法練習程式開發流程示意圖